SuperB計画の為のKEK電子陽電子ライナックCバンド化計画
福田茂樹1、明本光生、池田光男、大越隆夫、大澤哲、小川雄二郎、柿原和久、片桐広明、紙谷琢哉、佐藤政則、設楽哲夫、白川明広、杉村高志、諏訪田剛、竹中たてる、中尾克巳、中島啓光、古川和朗、本間博幸、松本利広、道園真一郎、矢野喜治、榎本收志
高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設〒305-0801 茨城県つくば市大穂1-１つくば市大穂1-１

概要Present Configuration ofModulator and Klystron

KEKではSuper-KEKB 計画の一環としてKEK電子陽電子ライナックのCバンド化計画を考えている｡ライナックの陽電子ターゲットから後半をCバンド化して陽電子を8GeVに増強しようとするものである。その計画の内容とそれに関した1年間の開発試験状況を報告する。

Klystron
Modulator
Modulator

40 MW
Klystron

Modulator

40 MW
Klystron

600RF and Coil P/SControl

Control560

Modulator
600
Control800

Klystron

１．Cバンド化計画の概要

Proposed Configuration

[1]

図2

KEKでは現在KEKBの運転が順調に行われており、Peak Luminosityも1X1034cm-2s-1以上を記録し世界の先端を切っている。しかし数年後にLHCが稼動すると競争力が失われる為に、KEKでは部分的でも競争できるようにLuminosityを一桁上げたSuper-KEKB計画を検討中である。この計画で、リング内での蓄積電流の不安定を避ける為に現行の電子８GeV,陽電子3.5GeVを変更し、陽電子8GeV、電子3.5GeVにしようと言う案が浮上している。同時に電子の入射電荷量を5nC、陽電子のそれを1.2nCに増加することが要求されている。 これを実現するため、2-3の提案がなされていたが[1]現在は、現行のライナックの陽電子変換ターゲット以降をCバンド化して陽電子を８GeVまで加速しようとする案が有力である。Cバンド化計画では、陽電子変換ターゲット以降の3セクター分をCバンドに置き換え、6セクター48台の50MWklystronとSLEDで陽電子を8GeVまで加速するのが骨MAIN DRIVE LINECounter

新旧の電源の比較、及び加速管との関係子である。ここではKEKB改造時と同様に現有資産はすべて有効に利用することを前提にしている。
Klystron Gallery をそのまま利用するために現存のmodulatorは、PFN放電部だけをほぼそのまま流用し、inverter電源で充電することで筐体サイズを現存の半分にし、同じ空間に2倍の数の電源を装置する。現在のS band-klystronのパルストランスは若干の巻き直しをし、タンクはそのまま使用する。そうすることで新規の投資は約半分で済ませることができる。加速管は基本的にSバンドのスケールダウンしたものを考え、現在使用している加速管架台も継続使用する。以上のような観点から図１に示すよう な RF の ブ ロ ッ ク 図 を 想 定 し 、 図 2 の よ う な
Klystron Gallery のレイアウトを検討している。
励振系も現在と同じように、100kW級Sub-booster
klystronを開発し、これで8台の50MW-klystronを駆動する。

5712MHz

2856MHzCW
571 MHz

Beam

Ref. Signal
Generator(FMD-30)

C-band Waveguide Driving Line
SUB-BOOSTER 3-1

SUB-BOOSTE R 2

10 MHzMR

E/O

508 MHzO/E

571 MHz Optical Lines

114 MHz

Trigger
SystemDriver

30m

100m

SUB DRIVE LINE(39D)

Coaxial Lines
40m
5m

20m

SB-A

5m

30m

IΦA

SB-1

1 kW
Amp.
Systeme-1 kW
Amp.
System114
M HzSHB1

571
MHzSHB2IΦA

SB3-250MW S-bandKlystronHigh Power
ATT/PhaseS hifter

10kW
AMP.

SUB DRIVE LINE(WG)

80m
SB-C

SB-B

100kW C-band
Klystron

60kW S-band
Klystron

15m

100m

SB4-2

SB5-1

SB5 -250MW C-band
Klystron

SLEDSLED

Sector 2

Sector 3-1

TargetPrebuncher Buncher

ACC Guide

Sector A

Sector B

Sector C

Sector 1e+ e-

ACC

ACC

Electron Gun

1

SB4-1

図1
E-mail: shigeki.fukuda@kek.jp

現在検討中のRF系のブロック図

Sector 3-2

Sector 4-1 Secto r 4-2 Sector 5-1

Sector 5 -2

た。当初、inverter電源でさまざまなトラブルが発以上の計画で陽電子を８GeVに加速する為には加生し、IGBTの破損等続いたが現在は一応順調に動い
速電界約40MV/mが必要である｡一方Super-KEKBではている。ただし、IGBT素子そのものとIGBTの制御回マルチバンチ入射は現在行っている2バンチ入射以路のノイズ対策に課題が残っていると思われる。
上は考えていないので、現在と同じSLED方式が使用できる。市販のCバンド50MW-klystronから40MW出力
2.2 50MWクライストロン及び励振系[5]のRFを、SLED(パルス幅2μsの時、電力増倍係数3.4)を経由して、Sバンド加速管の1/2スケールダウ信号発生器から発生した2856MHzを逓倍し、パルンした構造をもつ2m長のCバンド加速管2本へ供給す
ス 変 調 後 、 NEC 製 8W-Tr ア ン プ を 介 し て 励 振 用る。Filling Time 380ns, Attn Constant 0.703とklystronへ入力した。最終段を励振するものとしてすると加速管入り口で約59MW、加速電界約40MV/mを図1の全体図を考慮しSB klystronを開発した｡これは得る。SLEDはCERN-LIPSで使用されたTE038 モードを気象レーダ用のものを改造 (空洞の再同調、パービ用いたものを検討している｡この場合サイズ的に現アンス変更)したものである。開発条件として現在在使用しているSバンドSLEDとほぼ同等になり架台、使用のSB modulatorで100ｋW出力(印加電圧28ｋV保持方法等の設計が楽になる。
時)を目標とした。今年度はSLEDを用いた試験を予定してないがCバンドでの位相反転SWとして性能の2．Cバンド試験装置の開発状況良いものを探す必要がある。SB klystronからの電力は減衰を避ける為にWRJ-5の導波管素子を介して第１章の基本プランをベースに2002年度から1年50MW-klystronへ入力した｡
間で試験装置とCバンド加速管を開発し試験するこ
大 電 力 klystron は 電 磁 石 集 束 の 東 芝 製 50MWと、更に2003年の夏のシャットダウン時に現在空席klystron(E3746)を用いた。パルストランス及びタになっている#4-4へこの加速管を設置し、2003年秋
ンクはKEKB建設当初Sバンド60MW-klystron用に作っからのKEKB運転開始から、試行的にビーム加速試験た昇圧比1:15のトランスとIDφ700のタンクを用いに供する計画を立てた。Cバンドに関する設備は0でた。電圧モニターはStangenes社の容量分割器CVDあったので基本的なコンポーネントを揃える事から350(耐圧350ｋV)を使用している。将来的には集束始めた。又予算的な措置は運転経費等をやり繰りしコイルフランジ径を変え現在使用中のタンクに変更て行った｡開発しなければならない要素もいくつかする予定である。
あり、ライナックの加速管グループとRFグループが全体としてこの計画に取組んだ。具体的には、加速2.3 大電力高周波窓の開発[6]管の設計試作[2]、Dry LoadとしてのSiC dummy loadの開発[3]、WG用真空フランジの開発[4]、RF系の低電50MW-klystronでは2個の大電力高周波窓が使用力から大電力までのシステムの構築[5]、100kW Subされているが、1個で50MW透過の実績は十分でない。
[5]
booster klystronの開発 、1個で50MW電力に耐え運転維持的なことも考慮し、1個で50MW透過する高られる大電力高周波窓の開発[6]と試験[7]、小型電源[8]周波窓を開発した。Kazakovにより提案されたミッの開発 等が進められた。
クスモード(TE11＋TM11)型高周波窓にすることでセ2.1 小型モジュレータ[8]ラミック表面と端での電界を下げることができる。
HFSSを用いて設計を行い、コルード試験でGhost
図2にあるように既存の電源のスペースに2台の電モードがあったことから再設計後大電力モデルを製源を置く為と対コスト性を前提に、現在使用しているPFN及びサイラトロンは継続使用し、充電用電源としてinverter電源を用いたものを試作した。PFN
容量は現用と同じ15.5nF、コイルは1.55μHとし、前記の通りパルス平坦部は２μs必要なので、PFN14段2並列回路を採用した。パルストランスの昇圧比を1:15とするとPFNの特性インピーダンスは5Ωとなる。Spiceによる計算では上記のパラメータで半値幅4.8μs、平坦部2μsを得た(図3)。このmodulator
は2002年末に納入され2003年初めから試運転を始め
L0L10.0155u

0.0155u0.0155u0.0155u0.0155u0.0155u0.0155u0.0155u0.0155u0.0155u0.0155u

1.3u

0.0155uL

1K

0.0155u

R1L9L10L11L12L13L14L15L16L17L22L24L26L28

L30

1.55u

L21.55u

1.55u

L3

L41.55u

1.55u

L51.55uL61.55uL71.55uL81.55u

L21

1.55u

L23

L25

1.55u

1.55u

L27

L29

1.55u

1.55u

C26

1.55u

0.0155u

1.55u

C24

1.55u

C22

C20

1.55u

C18

1.55u

C7

1.55u

C6

1.55u

C5

1.55u

C4

1.55u

C3

1.55u

C2

1.55u

C11.55u

C0C

X

0V010

V

1.55u

1.55u

C27

0.0155uC25

0.0155u0.0155uC23

0.0155uC210.0155u

C19

0.0155u

C16

0.0155uC150.0155u

C140.0155u

C130.0155u

C120.0155u

C110.0155u

C100.0155u

C90.0155u

C8L181.3u

L191.47u

5R0IVm

PFN 14 steps 2-parallel, with Rp=5Ω
PFN_C.ckt-Transient-2

LimiterPFN
14 units
2 parallel

Inverter
DC P/S(V)+3.0000.0+2.000u+4.000u+6.000u+8.000u+10.000u

Time (s)+12.000u+14.000u+16.000u+18.000u+20.000u+2.000+1.0000.0

4.8μs-1.000-2.000

Thyratron-3.000-4.000

Reverse Shunt
Diode

図3

To Pulse
Transformer

Flat top 2μs-5.000-6.000TIME+5.032u

V(IVM)-4.971

D(TIME)+1.700u

D(V(IVM)) -349.045u

Modulatorのブロック図及びSimulation結果｡

図4加速管断面図(上)、製造途中のDiskと円筒(下左)及びCoupler部(下右)作した。これは後述のレゾナントリング(RR)試験により評価を行った。

2.4 加速管の開発[2]第一章で述べた2m加速管を想定しつつ、今年度は現Sバンドの1/2スケールの1m管を開発している。これは2m加速管の後半部に相当する構造を有し、2aは12.44～10.41mm、Filling Time 234ns、AttnConstant 0.434である。SLEDを用いずklystron出力40MWがすべてこの加速管に入るとすると、基本プランと同等の39 MV/mの加速電界を得る。設計はHFSS及びMAFIA-3Dを用いて行った。ディスクと円筒の加工はMHI及びKEKで進めている。MHIの精密旋盤の故障があり、仕上げ削りはKEKで行う。この加速管も電鋳法で製作される。図4に断面図及び製作途上のディスク、円筒及びカプラ-部を示す｡この加速管の製造スケジュールは2003年7月納入後、試験ベンチに据え付け高電界試験を7-8月と行う予定である。

2.5 テストベンチ及び試験結果
Cバンドの試験ベンチは従来のS-band klystron組立ホールではなく、その隣の加速管組立ホールに設けた(図5) [9]。これはシールドルームへの距離が短い為である。ここでmodulator単体の試験(S-bandklystron負荷)後、C-band klystron単体の試験を行った。50ppsでEs=42.5kVまで印加し、出力電力43MWまで確認をした。電力は2本のWG水負荷による熱測定で行った。この試験で必要なベーテホール型方向性結合器、VSWRメータは新たに製作した。入出力特性、対電圧特性、位相特性、帯域特性等の測定した後 [5] 、klystron負荷でPFN調整を行い、平坦度調整から平坦度1.3％まで調整した｡又同時に位相を見ての調整も行い、2.6度(Tentative)以内までの調整を取った(図6参照)[8] 。その後、RRにより高周波窓の試験を行った｡初めSB-klystronの出力(1kW)をRRへ入れて共振長の調整等の様子を見た。窓無しでの試験、窓有りでの試験という手順で行ったが、最初の段階でWGのRF的なエージングが終了し、高周波窓の試験は比較的短時間で済んだ。RRの逓倍率は約18倍で今回は最大160MWまでの電力(40ＭＷ出力での全反射相当)を透過させ、高周波窓に問題が無いことを確かめた(図7参照)。

図6

波形写真。上:電圧波形、第2波形:出力RFの位相波形、第3波形:電流波形、下:RF波形。
横軸は1μs/div

3．今後の予定
今後は6月末SiC Dummyの試験 [3] 、7月に1m加速管の試験を行い、8月末にライナックのビームラインに据え付ける。新規小型電源No.2が同時期に納入され#4-4に設置される。試験ベンチのクライストロンアセンブリも同じ場所に移設される。試験ベンチでは今年度2本目の50MW-klystronを購入して、新しい純KEK製加速管の試験を年度末に予定している。高周波窓は更に限界まで(200～300MW)の電力透過試験に臨む。来年度はSLED設計製作に着手しSLEDの大電力試験に取組む予定である。
参考文献

図7 RR試験。SB出力でチューニング(左)｡波形(右)｡上から2番目波形が周回電力。
[1] T. Kamitani et. al.,“R&D Status of C-band Accelerator unit forSuperKEKB”, PAC2003, Portland, Oregon, USA, May 12-16, 2003．
[2] 紙谷琢哉.他,“SuperKEKB計画のためのCバンド加速管開発について”, 第28回リニアック技術研究会、東海、2003.
[3] 杉村高志. 他,“Super KEKBに向けたC-band Dummy Loadと3dB Hybrid Couplerの開発”, ibid.
[4] 柿原和久.他,“C-band矩形導波管用フランジの検討”, ibid.
[5] 松本利広.他,“Cバンド50MWクライストロンを用いた大電力高周波源(I)-低電力励振系の構築-”及び “同(II)-大電力試験”, ibid.
[6] 道園真一郎.他,“Cバンドミックスモード高周波窓の開発”,

ibid.
[7] 竹中たてる.他,“C-バンドレゾナントリングを用いた大電力試験”, ibid.
[8] 中島啓光.他,“小型パルス電源の特性と今後の課題”, ibid.
[9] 大越隆夫.他,“KEK電子陽電子LINACのCバンドテストベンチの状況”, ibid.

図5

試験ベンチ鳥瞰図(左)及びWG系(右)